DE2615869A1

DE2615869A1 - Vorrichtung zur erzeugung eines mehrzeiligen abtastmusters in einem lese-abtaster-system

Info

Publication number: DE2615869A1
Application number: DE19762615869
Authority: DE
Inventors: James L Hobart; Wayne S Mefferd
Original assignee: COHERENT RADIATION
Current assignee: COHERENT RADIATION
Priority date: 1975-04-16
Filing date: 1976-04-10
Publication date: 1976-10-28
Also published as: JPS51127623A; FR2308116B3; FR2308116A1; US3995166A

Description

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besteht, die durch das Abtats-Zielgebiet passieren, wobei aufeinanderfolgende Abtastmustersätze im Abtast-Zielgebiet in Richtung ankommender Gegenstände gegenüber dem vorangegangenen Abtastmustersatz versetzt sind, und wobei jede der Linien oder Zeilen, die jeden Abtastmustersatz definieren, aus einer anderen Richtung zum Abtast-Zielgebiet kommen und wobei außerdem der optische Weg der ankommenden Abtastlinien auch vom reflektierten Licht benutzt wird, wenn dieses zum optischen Detektor des Systems läuft.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft optische Lese-Abtast-Systeme und insbesondere eine verbesserte Einrichtung zur Erzeugung optischer Abtastmuster.

Optische Lese-Abtast-Systeme werden in automatisierten Supermarkt-Kassen verwendet. Ein Lese-Abtast-System arbeitet als Dateneingabesystem für elektronische Registrierkassensysteme und wird dazu verwendet, UPC-Symbole (universal product code Symbole) auf den Gegenständen zu lesen.

Das UPC-Symbol-System wurde von Universal Grocery Product Code Council, Inc. entwickelt und ist ein Balken-Code-System, das für eine binäre Codierung von zehn dezimalen Ziffern sorgt. Die ersten fünf dieser Ziffern identifizieren den Hersteller des Gegenstandes und die letzten fünf den speziellen Gegenstand seines Herstellungsprogramms. Das tatsächliche Symbol der Gruppe umfaßt mehr als 60 parallele helle und dunkle Balken. Jede der zehn Ziffern, die zur Identifizierung des Gegenstandes verwendet wird, wird von einer speziellen Gruppe dieser Balken repräsentiert, und die tatsächliche Codierung der Ziffer wird durch Variation der Breiten der Balken erreicht, die diese Gruppe bilden.

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ORIGINAL INSPECTED

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In einigen Fällen wird eine geringere Anzahl von Ziffern verwendet, und es sind Vorkehrungen dafür getroffen, eine größere Anzahl von Ziffern für zukünftige Codierungen zu verwenden.

Das Lese-Abtast-System trägt zur Wirksamkeit und Bequemlichkeit des Betriebes automatisierter Ausgangskassen dadurch bei, daß es ermöglicht, UPC-Symbole automatisch zu lesen, wenn eine Packung von Hand über den Kassentisch an einem Abtastmustergebiet oder -fenster vorbeibewegt wird.

In automatischen elektronischen Registrierkassensystemen sind Daten hinsichtlich Preis, Menge oder Rabatt und Verkaufs- oder Umsatzsteuer in einer Speicherbank in einem zentralen Steuerpult enthalten. Die zentrale Steuerung ist so programmiert, daß die Adresse dieser Speicherbankstelle der digitalen Information entspricht, die in das UPC-Symbol codiert ist, das auf die Verpackung des Gegenstandes gedruckt ist.

Typischerweise arbeitet das Abtastmustersystem mit einem Laser sehr niedriger Leistung, beispielsweise einem Helium-Neon-Laser, um einen kohärenten, monochromatischen Lichtstrahl zu erzeugen. Diese Lichtquellenart liefert den hohen Signal-Rausch-Abs tand, der für die Verarbeitung notwendig ist und von anderen Quellen nicht erhalten werden kann. Der Laserstrahl wird dann auf einen Abtastermechanismus gerichtet, der ein optisches Abtastmuster an einem Fenster am Kassentisch erzeugt.

Die tatsächliche Identifizierung des Symbols erfolgt durch elektronische Analyse der vom Laserlichtstrahl erzeugten Signale, die von der Packungsoberfläche zu einem optischen Detektor reflektiert werden, der bei bekannten Systemen typischerweise eine Photovervielfacherröhre ist. Der Ausgang

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.f.

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dieser Röhre geht zu einer elektronischen Schaltung und wird kontinuierlich hinsichtlich des in das UPC-Symbol codierten Inhaltes analysiert.

Wenn die schnelle Bewegung des Lichtstrahls helle und dunkle Balken eines UPC-Symbols kreuzt, wird ein spezifischer Impulszug-Spannungsverlauf erzeugt. Die Charakteristiken dieses Spannungsverlaufs werden durch die Breite der einzelnen hellen und dunklen Balken und die Geschwindigkeit des Uberstreichens eingestellt. Wenn die elektronische Schaltung feststellt, daß das Symbol gültig ist und das Symbol positiv identifiziert wird, wird ein Signal an die Zentrale des Registrierkassensystems weitergegeben. Dieses Ausgangssignal liefert die Adresse für den Speicherbankplatz, wo die Instruktionen hinsichtlich Rechnungstellung und Registrierkassenempfang-Aufzeichnung dieses Symbols gespeichert sind.

Wenn das Symbol nicht gültig ist, d.h., verfälscht ist, kann es nicht positiv identifiziert werden und es ertönt ein sichtbarer oder hörbarer Alarm "keine Ablesung". Dadurch wird die Kassiererin aufmerksam, daß eine visuelle Identifizierung und eine manuelle Registrierkasseneingabe erfolgen muß.

Die Information vom UPC-Code wird dadurch wiedergewonnen, daß das diffus gestreute Licht detektiert wird, das dann in Abhängigkeit vom Absorptionskoeffizienten der auf der Markierung verwendeten Druckfarben räumlich intensitätsmoduliert ist. Es ist auch eine Komponente Fresnel*scher Reflektion oder Glanz vorhanden, diese enthält keine Information, weil Druckfarben zwar sehr stark variierende Absorptionskoeffizienten haben, die Variationen des Reflektionsgrades jedoch sehr gering sind, mit Ausnahme von metallischen Materialien. Eine optische Ablesung graphischer Symbole hängt deshalb von der Beleuchtung der Markierung ab, dem Detektieren der

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diffusen Streuung und der Demodulation der räumlichen Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von der Absorption.

Die Ablesung des Symbols wird weiter dadurch kompliziert, daß die Packung in einer Vielzahl von Möglichkeiten über die Abtastöffnung im Kassentisch bewegt werden kann. Diese Viel zahl erfordert, daß der Abtaster genügend Feldtiefe hat, um Markierungen in unterschiedlichen Abständen von der Leseöffnung zu lesen, eine ausreichende Geschwindigkeit, um Symbolgeschwindigkeiten bis zu 2,5 m pro Sekunde zu lesen, und eine Musterdichte, die ausreicht, eine Ablesung unter willkürlichen Orientierungen und Positionen hinsichtlich der Öffnung zu erlauben. Der Ableser muß ferner eine hohe Auflösung haben, die in der Lage ist, graphisch gedruckte Symbole mit mehreren Linienpaaren pro Millimeter zu lesen.

Wichtig ist das optische Abtastmuster, das auf das Kassenfenster oder die Öffnung projiziert wird. Der Laserstrahlfleck muß klein genug sein, um die Linienbreite der UPC-Symbole aufzulösen. Das Abtastmuster muß wenigstens mehrere Zentimeter Feldtiefe haben, damit gewährleistet wird, daß das UPC-Symbol vom Muster abgetastet wird, selbst wenn es sich mit einer Rate von bis zu 2,5 m pro Sekunde bewegt, die Fähigkeit, Symbole auf der Seite oder dem Boden einer Packung zu lesen, die Fähigkeit, Symbole auf einer Packung zu lesen, die sich dreht, während sie über den Abtaster bewegt wird, und muß unempfindlich sein gegen Umgebungslicht, so daß das Arbeitsgebiet ausreichend hell sein kann, wie das in einem Verkaufslokal erforderlich ist. Gleichzeitig muß die Laserleistung niedrig genug sein, um behördlich vorgeschriebenen Sicherheitsforderungen zu genügen.

Zusätzlich muß das System so ausgelegt sein, daß die ungünstigen Effekte spiegelnder oder glänzender Reflektion

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minimiert werden, ein ausreichendes Aufnehmen reflektierten Lichts vom abgetasteten Gegenstand muß erreicht werden, und es soll eine minimale Anzahl von sich bewegenden Teilen verwendet werden, um den Aufwand zu minimieren und die Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Derzeit werden wenigstens drei Abtastmuster in optischen Lese-Abtast-Systemen verwendet ("Reading the Supermarket Code" von A. Hildebrand, Laser Focus, September 1974, Seiten 10-18). Diese drei Muster werden als x-Muster, Sinus- oder Lissajous-Muster und Stichmuster bezeichnet.

Das x-Abtastmuster ist von allen diesen Abtastungen wahrscheinlich am leichtesten zu erzeugen. Auf der negativen Seite erfordert dieses Muster eine große Fenstertiefe, kann Markierungen "vergessen", wenn diese während des Durchlaufs gedreht werden, und erzielt nur einige wenige Abtastungen von Markierungen in vielen Orientierungen.

Das Sinus- oder Lissajous-Muster wird von zwei hin- und hergehenden Spiegeln erzeugt, oder einem hin- und hergehenden und einem umlaufenden Spiegel, und ist eine natürliche Folge des Wunsches nach einem kleineren Fenster. Das resultierende Muster ist grundsätzlich eine Reihe von einander überlappenden, kleineren Kreuzen ("Laser Scan Identifies Supermarket Items" von E.J. Stefanides, Design Ideas, 3· Februar 1975t S. 28-29).

Die Erzeugung dieses Musters hat mittleren Schwierigkeitsgrad. Es ist einigermaßen wirksam hinsichtlich der Anzahl von projizierten Abtastungen, leidet jedoch in der Nähe der Gipfel der Sinusschwingung unter Geschwindigkeitsänderungen. In gewissen Orientierungen werden nur einige wenige Abtastungen von Markierungen erreicht.

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Das sogenannte "Stich"-Muster besteht aus einer Reihe von parallelen, vertikalen Liniensegmenten und einem horizontalen Liniensegment mit Bezug auf die Laufrichtung der Packung über das Kassenfenster. Dieses Muster hat ebenfalls bedeutsame Nachteile. Es wird keine gleichförmig hohe Anzahl von Abtastungen für alle Orientierungen einer Packung erreicht, die über das Abtastmusterfenster läuft. Es erfordert eine Orientierung für vergrößerte Markierungen ebenso wie für verstümmelte Markierungen. Markierungen mit Fehlern längs einer bestimmten Linie werden nicht gelesen, wenn die Markierung sich längs dieser Linie bewegt. Es ergibt eine geringe Unempfindlichkeit gegen B'ensterbeschädigungen oder Glanzerscheinungen. Das System hat eine geringe Immunität gegen Hintergrundlicht.

Die erwähnten optischen Systeme zur Erzeugung Jedes dieser Abtastmuster haben einige andere Dinge gemeinsam, die ihr Betriebsverhalten ungünstig beeinflussen. In jedem Falle gehen die das Muster bildenden Abtastlinien alle vom gleichen Punkt im Raum aus. Mit anderen Worten, wenn jemand das Muster betrachtet, wenn es über das Musterabtastfenster läuft, ist ersichtlich, daß die Position der Lichtquelle für jedes Segment des Abtastmusters die gleiche ist. Das hat mehrere wichtige Nachteile.

Zunächst bedeutet das, daß die Ausgangsleistung des Lasers reduziert werden muß, um Sicherheitsvorschriften hinsichtlich der Leistung zu genügen. Zweitens, da das Licht vom gleichen Punkt aus geht, treffen die Abtastungen auf das Abtastfenster alle etwa unter dem gleichen Winkel auf. Mit anderen Worten, alle das Muster bildenden Linien kommen aus etwa der gleichen Richtung. Daraus können sich Probleme durch Glanzreflektion ergeben. Wenn der Lichtstrahl vom gleichen Punkt kommt, ist es auch schwieriger, Markierungen abzutasten, die schlecht

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orientiert sind, wenn sie am Abtastfenster vorbeilaufen. Das gilt besonders für gekrümmte Markierungen.

Eine andere gemeinsame Eigenschaft der Erzeugungssysteme für diese Muster besteht darin, daß das optische System, mit dem das von den Markierungen reflektierte Licht gesammelt wird, unabhängig von der Optik ist, die den Laserstrahl zur Markierung schickt. Das soll heißen, daß das reflektierte Licht nicht einem mit dem auftreffenden Licht gemeinsamen optischen Weg folgt. Während also der Laserstrahl auf das Zielgebiet in Form eines schmalen Lichtstrahls auftrifft, muß das optische Detel·:".' rschema einen großen Aufnahmekegelwinkel haben, um die Detektierbarkeit des reflektierten Lichtes zu verbessern. Unglücklicherweise bedeutet das auch, daß zusätzliches Umgebungslicht eingeführt wird, zusätzlich zu dem die Markierungsinformation liefernden Licht. Das macht Filter notwendig, um das Hintergrundlicht abzuschneiden. Da diese Lösung die Abbildung eines großen Raumvolumens erfordert, sind sehr lichtempfindliche Detektoren, nämlich Photovervielfacher, erforderlich. Dadurch wird die Detektorseite des Systems aufwendig.

Zusammenfassung der Erfindung

Durch die Erfindung soll eine verbesserte Einrichtung verfügbar gemacht werden, mit der ein mehrliniges Abtastmuster in einem Lese-Abtast-System projiziert werden kann.

Weiter soll durch die Erfindung eine Vorrichtung zum Projizieren eines mehrlinigen Abtastmusters in einem Lese-Abtaster-System verfügbar gemacht werden, die bei starker Umgebungsbeleuchtung, einschließlich direktem Sonnenlicht, arbeiten kann.

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Ferner soll durch die Erfindung eine Lese-Abtast-Vorrichtung mit großer Feldtiefe verfügbar gemacht werden.

Ferner soll durch die Erfindung ein Lese-Abtast-System verfügbar gemacht werden, das in der Lage ist, Markierungen zu lesen, die starke Glanz-Reflektion zeigen.

Weiter soll durch die Erfindung ein verbessertes Lese-Abtaster-S3rstem verfügbar gemacht werden, das in der Lage ist, Datenmarkierungen aller Größen und Orientierungen abzulesen, einschließlich Markierungen, die stark verstümmelt sind.

Weiter soll durch die Erfindung ein verbesserter Lese-Abtaster verfügbar gemacht werden, der in der Lage ist, Markierungen, die sich schnell über das Abtasterfenster bewegen, gültig abzutasten und für einen maximalen Prozentsatz guter Ablesungen sorgt, wenn die Markierung am Abtasterfenster vorbeiläuft.

Weiter soll durch die Erfindung eine Vorrichtung verfügbar gemacht werden, mit der ein Mehrlinien-Abtastmuster projiziert werden kann,und ein Lese-Abtaster-System, das mit vergleichsweise niedrigen Kosten aufgebaut werden kann, wobei billige Lichtdetektoren verwendet werden, und doch sehr zuverlässig ist.

Weiter soll durch die Erfindung ein Lese-Abtaster verfügbar gemacht werden, bei dem ein Hochleistungslaser verwendet wird, während gleichzeitig die mittlere Leistung pro Flächeneinheit des Abtastzielgebietes unter den maximalen Werten liegt, die durch Sicherheitsvorschriften zugelassen sind.

Erfindungsgemäß weist ein Lese-Abtaster-System optische Einrichtungen auf, mit denen ein Laserstrahl auf das Abtastzielgebiet als mehrliniges Abtastmuster gerichtet wird, das

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aus einer Reihe von einander schneidenden diagonalen und horizontalen Linien besteht, relativ zum ¥eg des Gegenstandes, der durch das Abtastzielgebiet läuft. Weiter ist jeder dieser Sätze von n-Abtastlinien, die ein Muster bilden, gegen das vorangegangene n-Linien-Abtastmuster versetzt oder befindet sich in einer anderen Orientierung als dieses.

Der Vorteil einander schneidender diagonaler Linien plus horizontaler Linien besteht darin, daß eine große Anzahl Abtastungen aller Markierungen in allen Orientierungen erreicht wird, so daß Löcher in einem Muster ausgemittelt und ausgefüllt werden, wo gewisse Orientierungen nur einige wenige Male abgetastet werden. Es werden verstümmelte Markierungen abgelesen, die von anderen Mustern nicht erfaßt werden. Es werden auch Probleme hinsichtlich Markierungsfehlern längs gewisser Linien minimiert.

Vorzugsweise werden sequentielle Muster jeweils aus n-Abtastlinien gebildet, die in Richtung zum ankommenden, abzutastenden Gegenstand versetzt sind. Das erhöht die Wahrscheinlichkeit, daß ein durch das Abtastmuster laufender Gegenstand tatsächlich abgetastet wird.

Weiter ist die Optik so aufgebaut, daß, obwohl der Lichtstrahl von einer einzigen Quelle, d.h., einem Laser, kommt, der Laserstrahl so neugeordnet wird, daß jede der Linien, die das Abtastmuster definieren, scheinbar von einem anderen Punkt im Raum kommt. Mit anderen Worten, jede der Linien, die das Abtastmuster bilden, kommt von einer anderen Richtung zum Abtastzielgebiet.

Die Tatsache, daß jede der Abtastlinien von einem anderen Punkt kommt, hat auch wichtige Vorteile. Im Gegensatz zu Abtastern, bei denen das Muster von einem einzigen Ursprung divergierend erscheint, hat diese Lösung den Vorteil, daß

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zunächst ein weiteres Abtasten um zylindrische, seitlich markierte Gegenstände erreicht wird, gleichgültig, ob der Gegenstand seitlich abgetastet oder gekippt ist, um die Markierung parallel zum Fenster darzubieten. Zweitens wird das Problem der Glanz-Reflektion eliminiert, da eine Markierungsorientierung, die in einer Abtastlinie glänzend reflektiert, das in einer anderen nicht tut. Drittens müssen vom Standpunkt der Sicherheit bei der Bestimmung der gesamten Energiemenge, die zu einem Beobachter geschickt wird, der in das Abtastmusterfenster blickt, alle Abtastlinien kumulativ addiert werden, wenn der Strahl vom gleichen Punkt ausgeht. Wenn die Strahlen von unterschiedlichen Punkten ausgehen, wird die effektive Strahlstärke im Hinblick auf die Sicherheit um einen Faktor herabgesetzt, der gleich der Anzahl unterschiedlicher Ursprungspunkte ist. Dadurch ist es möglich, einen stärkeren Laserstrahl zu verwenden, der seinerseits die Möglichkeit eröffnet, einen billigeren Detektor zu verwenden, und es auch erleichtert, den Strahl von Umgebungslicht zu unterscheiden.

Aufeinanderfolgende Abtastmuster werden ebenfalls in unterschiedlichen Orientierungen und Positionen am Abtastfenster und im Abtastvolumen erzeugt. Das hat ebenfalls mehrere Vorteile. Zunächst wird das Abtastmuster aufgefüllt, wodurch gewährleistet wird, daß kleine Markierungen angenommen werden, und sogar bis zu 50 % verstümmelte Markierungen. Dieser Vorteil ist am größten, wenn sich die aufeinanderfolgenden Abtastmuster in Richtung der ankommenden, abzutastenden Markierungen "bewegen". Zweitens wird der Effekt von Fensterschaden oder Schmutz minimiert, weil der Fehler nur eine einer großen Anzahl von Abtastungen beeinflußt und mit den anderen weiterhin gültige Abtastungen erhalten werden. Das steht im scharfen Gegensatz zu anderen Abtastmuster-Anordnungen, die die Orientierung von vergrößerten und/oder verstümmelten Markierungen erfordern und bei denen ein einzelner Kratzer auf dem Fenster die Abtastung aller Markierungen verhindern kann,

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die das Fenster in der Nähe dieses Kratzers kreuzen. Drittens trägt es dazu bei, die Aufnahme von Markierungen zu gewährleisten, die beim Durchlauf durch das Abtastmustergebiet rotieren.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung teilen sich Detektoroder Empfangsoptik und Laserstrahlgenerator oder Abtaster in den gleichen optischen Weg. Das bedeutet, daß das Gesichtsfeld und der Aufnahmewinkel des Detektors sehr eng begrenzt ist, wap wiederum eine starke Sperre für Umgebungslicht gewährleistet, während eine gute Signalsammeikraft aufrechterhalten %<ird. Das erlaubt die Verwendung von billigen Detektoren statt der üblicherweise verwendeten, teuren Photovervielfacher. Da sehr wenig Umgebungslicht von der Detektoroptik aufgenommen wird, ist es nicht notwendig, Filter zu verwenden, wie das bei üblichen Systemen der Fall ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind Einrichtungen vorgesehen, so daß der in den Abtastzielbereich eintretende Strahl seine Winke!richtung während der Exposition ändert, so daß die mittlere Leistung pro Flächeneinheit kleiner ist als sie in dem gleichen Zeitintervall von einem Strahl geliefert wird, dessen Winkelrichtung fest ist. Wie noch erläutert wird, ermöglicht das die Verwendung von Strahlen höherer Leistung bei Einhaltung der Sicherheitsforderungen.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein optisches System, mit dem ein Mehrlinien-Abtastmuster in einem Lese-Abtaster-System projiziert wird;

Fig. 2A eine Ansicht entsprechend der Linie 2A-2A in Fig. zur Veranschaulichung des Laser- und Detektorteils des Lese-Abtaster-Systems;

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Fig. 2B eine Aufsicht auf Fig. 1 entsprechend der Linie 2B-2B in Fig. Ii

Fig. 5 das Abtastmuster gesehen in Richtung der Pfeile 3-3 in Fig. 1? und

Fig. 4 das Abtastmuster* wie es am Abtasterfenster erscheint.

Fig. 1 und 2 zeigen einen optischen Lese-Abtaster 10> mit dem ein Abtastmuster entsprechend der Erfindung projiziert wird. Ein Laser 12 projiziert einen engen» kollim-ierten Lichtstrahl 14. Ein Helium-Meon-Laser mit einer Ausgangsweilenlänge von 6328 AE, beispielsweise Coherent Radiation Modell 80-2 _t ist ideal für diese Anwendung. Nachdem die Richtung mit zwei Reflektoren 16 und 18 um 360° geändert ist» wird der Laserstrahl mit zwei Linsen 20 und 22 kollimiert.

Der kollimierte Strahl wird von einem dritten Reflektor 24 um 90° umgelenkt und tritt danach durch eine Öffnung 26 in einaimit Öffnung versehenen Reflektor 28.

Gemäß Fig. 1 und 2B trifft der Strahl nach Reflektion am Spiegel 30 auf den Umfang eines rotierenden achtseitigen Spiegels 32 auf. Der Spiegel 32 rotiert um seine Achse 34» so daß von ihm reflektiertes Licht 36 eine Bogenebene definiert. In dieser Bogenebene sind acht Spiegel oder Reflektoren 40 bis 47 angeordnet. Der Klarheit halber sind in Fig. 1 nur die Spiegel 44 bis 47 dargestellt. Wenn jede Fläche des rotierenden, achtseitigen Spiegels 32 den Laserstrahl durchsetzt,, reflektiert sie den Strahl zunächst zur linken Seite des Spiegels 40 und dann längs des Spiegels 4O> bis dieser Spiegel 41 erreicht, danach längs Spiegel 41_r bis er Spiegel erreicht, und so fort, bis er von der rechten Kante des Spiegels 47 fortläuft. Die nächste Fläche des Spiegels 32 wiederholt dann diese gleiche Folge _t wobei der reflektierte Strahl am Spiegel 40 beginnt.

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Das Licht von den Spiegeln 40 bis 42 wird dann auf einen Spiegel 50 und von dort auf einen großen Spiegel 52 reflektiert. Licht von Spiegeln 43 und 44 wird auf Spiegel 55 reflektiert und dana*. l ^x<:ge± 52. In ähnlicher Weise wird Licht von Spiegeln Ao, ^b und 47 vom Spiegel 56 auf Spiegel 52 reflektiert.

Das vom Spiegel 52 reflektierte Muster 53 ist in Fig. 3 dargestellt. Das Bild wird ein oder mehrere Male von einem anderen Spiegel 54 reflektiert, ehe es durch das Abtasterfenster oder die Öffnung 56 austritt. Die einzige Funktion der Spiegel 52 und 54 ist es, das Strahlmuster in die richtige Orientierung mit Bezug auf das Fenster 56 zu bekommen. Da das Muster schief auf das Fenster 56 projiziert wird, ist es gegenüber dem Muster 55 gemäß Flg. 3 abgeflacht. Das resultierende Muster 58, das tatsächlich am Fenster 56 auftritt, ist in Fig. 4 dargestellt.

Die Ableitung des Musters gemäß Fig. 3 und 4 soll jetzt erläutert werden. Wie bereits erwähnt, trifft von einer der Seiten des rotierenden Spiegels 32 reflektiertes Licht zunächst auf die linke Seite des Spiegels 40 auf. Der Spiegel ist unter einem solchen Winkel angeordnet, daß» wenn Licht vom Spiegel 50 und anschließend über Spiegel 52 und 54 reflektiert wird, das resultierende Liniensegment als Zeile 1 in Flg. 3 und 4 dargestellt ist. Wenn der achtseitige Spiegel 32 in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung rotiert, wird Licht als nächstes vom Spiegel 41 reflektiert. Der Spiegel 41 hat eine andere Winkelorientierung als Spiegel 40 und dadurch ist das von ihm reflektierte Zeilensegment im Abtast-

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gebiet gegen das vom Spiegel/reflektierte versetzt. Die diagonale Linie ist als Zeile Kummer 2 in den Mustern in Fig. 3 und 4 bezeichnet.

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Als nächstes streicht der Strahl über Spiegel 42, so daß sich die diagonale Zeile Nummer 3 ergibt, Der Spiegel 43 ist winkelmäßig so angeordnet, daß von ihm zum Spiegel 55 reflektiertes Licht als horizontale, mit Nummer 4 in Fig. 3 und 4 bezeichnete Zeile projiziert wird. Der Spiegel 44 hat eine etwas andere Winkelorientierung als Spiegel 43, so daß, wenn der Strahl vom Spiegel 32 zu ihm übertritt, die resultierende horizontale Zeile 5 gegen die Zeile 4 vom Spiegel versetzt ist. Wenn die Spiegel 43 und 44 in der dargestellten Weise orientiert sind, werden tatsächlich keine horizontalen Zeilen am Abtasterfenster erzeugt. Stattdessen werden zwei nahezu horizontale Zeilen erzeugt, deren Winkeldifferenz dafür sorgt, daß sie gegeneinander versetzt sind. Wenn exakt horizontale Zeilen erwünscht sind, sollten die Spiegel 43 und 44 parallel zueinander sein, wobei der eine geringfügig zum rotierenden Spiegel 32 versetzt ist.

Der Strahl vom Spiegel 32 streicht dann nacheinander über die Spiegel 45, 46 und 47, wird vom Spiegel 56 reflektiert und bildet schließlich Zeilen 6, 7 und 8 im Abtastmuster.

Zu diesem Zeitpunkt trifft das auf den rotierenden Reflektor auftreffende Licht auf eine neue Fläche. Jede Fläche des rotierenden Spiegels 32 hat mit Bezug auf die Drehachse eine etwas andere Winkelorientierung als die vorangehende Fläche. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Anordnung so zu treffen, daß die Normale jeder kleineren Fläche in der Mitte dieser Fläche die Drehachse durchsetzt, jedoch unter einem anderen Winkel für jede Fläche. Da diese Winkeldifferenz sehr klein ist, ist sie in Fig. 2B nicht dargestellt* Wenn also der nächste Strahl über die Spiegel 40 bis 47 streicht, ist das gesamte Muster gegen das vorangegangene Muster verschoben. Das Abtastzeilensegment von Spiegel 40 ist also beispielsweise in den Abtastmustern Fig. 3 und 4 mit 1' bezeichnet. In ähnlicher Weise deuten die Bezugsziffern 2^! bis 8¹ die

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Zeilensegmente an, die von den Spiegeln 41 bis 47 "bzw. von der zweiten Fläche reflektiert werden. Die dritte Fläche erzeugt das mit den Bezugsziffern l'¹ bis 8^t! bezeichnete Muster. Die Größe der Versetzung jedes Musters kann dadurch variiert werden, daß der Winkel jeder der Flächen des rotierenden Spiegels 32 variiert wird.

Wenn die vierte Fläche den darauf gerichteten Lichtstrahl durchsetzt, wird das vierte achtzeilige Muster in ähnlicher Weise verschoben, und das geht weiter, wenn jede der Spiegelseiten rotiert und den Laserstrahl durchsetzt. Der Klarheit halber- find in Fig. 3 und 4 nur drei Zeilensätze speziell bezeichnet. Ersichtlich ist jedoch jedes achtzeilige Muster, was von den rotierenden Flächen erzeugt wird, gegenüber dem vorangegangenen Muster nach rechts versetzt. Wenn sich die Markierungen in Richtung von rechts nach links in Fig. 3 und 4 bewegen, bewegen sich die Muster ersichtlich auf die ankommenden Markierungen zu. Die Vorteile dieser Abtastmusterbewegung, insbesondere auf ankommende Markierungen zu, sind bereits besprochen worden.

Wie früher erläutert, arbeitet das Abtastsystem nach der Erfindung mit einem rückstrahlenden optischen System. Das heißt, das Licht, welches von einem Gegenstand reflektiert wird, der über das Fenster 56 läuft, wird längs des gleichen optischen Weges wie der ankommende Strahl zu einem Photodetektor 58 geleitet. Wie aus Fig. 2A ersichtlich ist, wird der größte Teil des reflektierten Lichts 60 am mit Öffnung versehenen Spiegel 28 zu einem Konkavspiegel 62 reflektiert, der seinerseits den Strahl so fokussiert, daß er durch die Öffnung 26 den Detektor 58 erreicht. Durch Verwendung eines rückstrahlenden optischen Systems wird nur ein sehr enges Lichtbild zum Detektor zurückgeführt, so daß die Menge Umgebungslicht reduziert wird, die aufgefangen wird, so daß

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wiederum der Detektor 58 ein einfacher Photodetektor statt ein Photovervielfacher sein kann. Es ist auch nicht notwendig, spezielle Filter zu benutzen, um Umgebungslicht auszuschließen.

Wie bereits erwähnt, haben die Spiegel 40 bis 47 den Effekt, jede bogenförmige Abtastung des Vielfacettenspiegels 32 in einer Reihe von diagonalen und horizontalen Zeilen aufzubrechen, die gegeneinander versetzt sind. Ein weiterer Effekt dieser Spiegelanordnung besteht darin, daß sie dafür sorgt, daß jede Zeile des Abtastmusters von einer anderen Richtung projiziert wird. Anders gesagt, sie hat den Effekt, daß der Laserstrahl von acht verschiedenen Punkten im Raum ausgeht, statt von einem einzigen. Wenn man also direkt in das Fenster 56 blickt, würde man acht Flecken sehen, die dem Bild des Fleckens auf dem rotierenden Spiegel 32 auf jedem der Spiegel 40 bis 47 entsprechen. Wie bereits erläutert worden ist, ist es möglich, Laser höherer Leistung zu verwenden und immer noch die behördlichen vorgeschriebenen Sicherheitswerte einzuhalten, da die das Abtastmuster bildenden Strahlen scheinbar von unterschiedlichen Punkten im Raum ausgehen. Dadurch, daß die Markierung aus verschiedenen Richtungen erreicht wird, ist es auch möglich, gültige Abtastungen bei Markierungen mit gekrümmten oder verstümmelten Oberflächen zu erreichen.

Die Herabsetzung der mittleren Laserintensität, die durch diese Technik erreicht wird, erlaubt es, einen Strahl höherer Leistung mit entsprechender Erhöhung des Signal-Rausch-Abstandes zu verwenden. Jede weitere Steigerung der Strahlleistung und entsprechende Verbesserung des Signal-Rausch-Abstandes kann erreicht werden, indem ein anderer Teil der Sicherheitsvorschriften ausgenutzt wird, der die Größe der Laserleistung kontrolliert, die abgestrahlt werden kann. Diese Laser-Sicherheitsregeln erkennen im allgemeinen die

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Tatsache an, daß die Schwelle für Augenschäden von der Leistung oder Energie pro Flächeneinheit der Netzhaut abhängt. Ein einzelner Laserstrahl, der in einer festen Richtung in das Auge eintritt, wird also zu einer bestimmten Fleckgröße auf der Netzhaut fokussiert und bleibt dort stehen, so daß sich eine feste Leistung oder Energie pro Zeiteinheit in diesem Bereich der Netzhaut ergibt. Wenn jedoch der Strahl die Winkelrichtung ändert, in der er in das Auge eintritt, trifft er auf einen anderen Fleck der Netzhaut auf, wo er zwar etwa die gleiche Leistung pro Flächeneinheit ergibt, sich jedoch nicht zum ursprünglichen Strahl addiert. Wenn umgekehrt ein Laserstrahl fester Leistung seinen Winkel ändert, während er in das Auge während irgendeiner Belichtungszeit eintritt, wird die mittlere Leistung pro Flächeneinheit der Netzhaut während der Belichtungszeit um einen Faktor reduziert, der proportional der Winkeländerung ist, die der Strahl während der Belichtungszeit ausführt.

Im Falle eines Strahls, der sich in der Weise bewegt, daß er während der Belichtungszeit einen bestimmten Raumwinkel überstreicht, ergibt sich eine Reduzierung der mittleren Strahlleistung oder Energie pro Flächeneinheit während der Belichtungszeit aus dem Verhältnis des vom sich bewegenden Strahl während der Belichtungszeit überdeckten Raumwinkels zum Raumwinkel, der durch die Winkeldivergenz des Laserstrahls bei Durchlaufen eines festen Winkels oder den Raumwinkel bestimmt wird, der durch die Divergenz eines Strahls festgelegt ist, der auf einer Fläche auf der Netzhaut fokussiert wird, die durch die Auflösung des Auges begrenzt ist, und zwar zum größeren dieser beiden letzteren Raumwinkel.

Diese Situation wird in den meisten Laser-Sicherheitsanforderungen anerkannt, und insbesondere in den einschlägigen Vorschriften der US-Bundesbehörden, indem entweder die maximale Energiemenge begrenzt wird, die in das Auge unter einer festen Winkelrichtung während einer bestimmten Zeitspanne

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eintreten kann, oder die maximale Energie pro Raumwinkel begrenzt wird, die während einer bestimmten Belichtungszeit in das Auge eintreten kann. Wie bereits erwähnt worden ist, wird die mittlere Leistung pro Flächeneinheit kleiner, wenn ein in das Auge eintretender Strahl seine Winkelrichtung während der Belichtung ändert, als wenn ein Strahl im gleichen Zeitintervall in fester Winkelrichtung eintritt. Durch Änderung des Winkels des Laserstrahls während der Belichtung kann also ein Strahl höherer Leistung verwendet werden, der immer noch weniger mittlere Leistung pro Flächeneinheit der Netzhaut liefert als ein Strahl niedrigerer Leistung mit fester Winkelrichtung. Durch die Erfindung soll ferner eine optische Einrichtung verfügbar gemacht werden, durch die der Strahl oder die Strahlen ihre Winkelrichtung mit der Zeit ändern, so daß die Verwendung Laser höherer Leistung möglich ist, während die mittlere Leistung pro Flächeneinheit, die in die Netzhaut einer das Abtastmuster betrachtenden Person gespeist wird, auf Beträgen unterhalb der Maximalbeträge gehalten wird, die durch Laser-Sicherheitsvorschriften angegeben sind.

In Laser-Abtastern, die dafür gedacht sind, die früher beschriebene UPC-Markierung zu lesen, liegen die Verhältnisse im allgemeinen so, daß Laserstrahlleistungen, die adäquate Signal-Geräusch-Abstände ergeben, Leistungen abgeben, die unter den festgestellten Sicherheitsgrenzen für Belichtungen im Bereich von 10 bis 1.000 Sekunden liegen, die Sicherheitsgrenzen für Belichtungen bis zu 10.000 Sekunden Jedoch übersteigen.

Eine Technik, mit der die mittlere Leistung, die vom Abtaster emittiert wird, unter den Grenzen gehalten wird, die durch Bundes- oder Landesvorschriften für längere Belichtungszeiten aufgestellt sind, besteht darin, eine Einrichtung vorzusehen, mit der der Strahl oder das Abtastmuster automatisch eingeschaltet wird, wenn der Abtaster feststellt, daß ein

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Gegenstand in das abgetastete Gebiet eintritt, und den Strahl oder das Abtastmuster abzuschalten, wenn eine gültige UPC-Markierung erkannt worden ist oder festgestellt worden ist, daß der Gegenstand das Abtastgebiet verlassen hat. Wenn die Anzahl der Gegenstände, die pro Zeiteinheit durch den Abtaster passieren, niedrig ist, dann wird die Laserstrahlung weniger als 100 % der Zeit emittiert. In diesem Falle wird die mittlere emittierte Strahlung reduziert und kann dann unter die Maximalwerte fallen, die durch vorhandene oder bevorstehende Vorschriften zugelassen sind.

Wenn Gegenstände jedoch mit höherer Rate durch den Abtaster passieren, kann die mittlere emittierte Leistung die oben beschriebenen Grenzen übersteigen. Um derzeitige oder bevorstehende Normen einzuhalten, müssen Einrichtungen im Abtaster vorgesehen werden, um die mittlere Einschaltzeit des Abtasters zu bestimmen und dementsprechend die emittierte mittlere Leistung, und den Abtaster abzuschalten, wenn die mittlere Leistung zu hoch ist. Dadurch wird ersichtlich die Anzahl von Gegenständen pro Zeiteinheit begrenzt, die abgetastet werden können, wodurch die Effektivität des Gerätes herabgesetzt wird. Dazu kommen die Kosten für die Einrichtung zur Bestimmung der mittleren Einschaltzeit des Abtasters, die außerdem zur Komplexität des Gerätes beitragen. Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Einrichtung zu schaffen, durch die die Winkelorientierung des AusgangsStrahls oder der Ausgangsstrahlen geändert werden kann, so daß die abgegebene Leistung oder Energie pro Raumwinkeleinheit auf einen Wert herabgesetzt wird, der unter den Sicherheitsgrenzen liegt, und damit der Maschine erlaubt, kontinuierlich verwendet zu werden.

Eine Möglichkeit, das zu erreichen, besteht darin, den Spiegel 54 gemäß Fig. 2B gleichzeitig um zwei Achsen schwingen

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zu lassen, die in Fig. 2B mit "Achse A" bzw. "Achse B" bezeichnet sind. Um zu gewährleisten, daß der durch die Winkelausschläge des Strahls gefüllte Raumwinkel so groß wie möglich ist, können die Schwingungsfrequenzen um die beiden Achsen so gewählt werden, daß sie ein Verhältnis haben, daß mehrmals größer ist als das größere der Verhältnisse der Winkelauslenkungen um Achse A oder Achse B zur Winkeldivergenz des Lasers.

Schwingungen des Spiegels 54 in der beschriebenen Weise sind leicht zu erreichen. Eine Möglichkeit ist, zwei Steuerscheiben zu verwenden, die beide mit unterschiedlichen Drehzahlen rotieren. Nockenfolger, die jedem Nocken zugeordnet sind, sorgen für die betreffenden Schwingungen um die beiden Spiegelachsen.

Die richtige Winkelbeziehung der Spiegel 40 bis 47 sowie der anderen Spiegel hängt vom Gesamtaufbau der Größe der speziellen Abtasteranwendung ab. In einer tatsächlichen Ausführungsform sind die Nominalwerte der Winkel zwischen den Flächen der Spiegel 45 bis 47 und einer Linie parallel zur reflektierenden Fläche des Spiegels 32 in der in Fig. 2B dargestellten Position: Spiegel 45 unter 19,1°; Spiegel 46 unter 12,5° und Spiegel 47 unter 5,9°. Der Winkel des Spiegels 42 entspricht dem des Spiegels 45, der des Spiegels dem des Spiegels 46 und der des Spiegels 40 dem des Spiegels 47, nur in entgegengesetzter Richtung von der Linie.

Für exakt horizontale Zeilen sind die Spiegel 43 und 44 parallel zu dieser Bezugslinie. In der dargestellten Ausführungsform befinden sich die Spiegel 43 und 44 unter kleinen Winkeln zu dieser Linie, um nahezu parallele Linien zu erreichen.

In der gleichen tatsächlichen Ausführungsform ist die Schwingungsrate des Spiegels 54 um die Achse A eine Periode pro Stunde, und um die Achse B eine Periode pro Minute.

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Claims

C8 PlO D

Patentansprüche

Vorrichtung zur Erzeugung eines mehrzelligen Abtastmusters in einem Lese-Abtaster-System, bestehend aus einem Laser, der einen engen Lichtstrahl projiziert, einem Abtastzielgebiet, durch das abzutastende Gegenstände wandern, und einer Einrichtung, mit der Änderungen des Pegels des Laserlichtes detektiert werden, das von durch das Abtastzielgebiet passierten Gegenständen reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Einrichtung vorgesehen ist, mit der der Laserstrahl als Satz η einander schneidender Zeilensegmente, die ein Abtastmuster bilden, auf das Abtastzielgebiet gerichtet wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der aufeinanderfolgende Sätze von n-zeiligen Abtastmustern unter einer anderen Orientierung in das Abtastzielgebiet projiziert werden als das vorangegangene n-zeilige Muster.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung eine Einrichtung aufweist, mit der aufeinanderfolgende Abtastmuster in einer Richtung auf ankommende Gegenstände zu versetzt werden, die durch das Abtastzielgebiet passieren.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes n-zeilige Abtastmuster aus einer Reihe von einander schneidenden diagonalen und im wesentlichen horizontalen Zeilen relativ zum Weg der Gegenstände besteht, die durch das Abtastzielgebiet passieren.

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Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung aus einem rotierenden n-seitigen Reflektor, einer Einrichtung, mit der der Laserstrahl so gerichtet wird, daß er auf dem rotierenden Reflektor auftrifft, Einrichtungen, mit denen jeder Durchlauf des Lichtstrahls, der eine Bogenebene definiert, wenn er von aufeinanderfolgenden Seiten des rotierenden n-seitigen Reflektors reflektiert wird, segmentiert wird, und die aus m stationären Reflektoren besteht, die in der Bogenebene lokalisiert sind, wobei jeder stationäre Reflektor sich unter einer anderen Y/inkelorientierung befindet, so daß Reflektionen von jedem der m Reflektoren unter einem anderen Winkel zur Bogenebene aus dieser herausgerichtet sind, und zusätzlichen optischen Einrichtungen besteht» mit denen jedes der Zeilensegmente, das von der Bogenebene reflektiert wird, abgefangen wird und in eine andere Raumebene neu gerichtet wird, so daß einige der Zeilensegmente einander schneidende diagonale Zeilen in der letzteren Ebene bilden und andere im wesentlichen horizontale Zeilen.

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